Sensory do systemów monitoringu bezpieczeństwa

stacjonarne

jednolite magisterskie

wybieralny

W 30/x, C 14/+, L16/+; razem: 60 godz., 7 pkt ECTS

∙ Fizyka I i II / Podstawy optyki. Elektryczność. Fizyka ciała stałego.

∙ Elektrotechnika i elektronika / Zasada działania elementów i układów elektronicznych.

∙ Metrologia / pomiary parametrów elementów elektronicznych.

semestr szósty / Inżynieria Bezpieczeństwa / wszystkie specjalności

prof. dr hab. inż. Zbigniew BIELECKI

ppłk dr inż. Janusz MIKOŁAJCZYK

dr inż. Mirosław NOWAKOWSKI

ppłk dr inż. Artur PROKOPIUK

Studia stacjonarne

1. Udział w wykładach / 30 godz.

2. Udział w laboratoriach / 16 godz.

3. Udział w ćwiczeniach / 14 godz.

4. Udział w seminariach / 0 godz.

5. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 10 godz.

6. Samodzielne przygotowanie do laboratoriów / 40 godz.

7. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń / 25 godz.

8. Samodzielne przygotowanie do seminarium / 0 godz.

9. Realizacja projektu / 0 godz.

10. Udział w konsultacjach / 58 godz.

11. Przygotowanie do egzaminu / 15 godz.

12. Przygotowanie do zaliczenia / 0 godz.

13. Udział w egzaminie / 2 godz.

Sumaryczne obciążenie pracą studenta: 210 godz./ 7 ECTS

Zajęcia z udziałem nauczycieli (1+2+3+4+9+10+13): 120 godz. / 4 ECTS

Zajęcia powiązane z działalnością naukową: 210 godz./ 7 ECTS

Podstawy fizyczne działania detektorów termicznych i fotonowych. Parametry detektorów. Pomiary parametrów detektorów. Termopary. Bolometry. Detektory piroelektryczne. Detektory fotonowe, fotorezystory, fotodiody pin. Fotodiody lawinowe. Matryce CCD i matryce CMOS. Czujniki pojemnościowe. Czujniki indukcyjne. Czujniki ultradźwiękowe. Czujniki piezoelektryczne. Czujniki Halla. Czujniki potencjometryczne i termistorowe. Czujniki tensometryczne. Czujniki radarowe i lidarowe. Noktowizja i termowizja.

1. Wprowadzenie do sensorów monitoringu bezpieczeństwa. / 2. Zdefiniowanie pojęcia sensor. Umiejscowienie czujnika w systemie pomiarowym. Określenie głównych parametrów czujników (granica wykrywalności, czułość, precyzja pomiaru, dokładność pomiaru, czas odpowiedzi). Podział czujników. Układy kondycjonowania.

2. Podstawy fizyczne działania detektorów promieniowania optycznego. Parametry detektorów. / 2.

Zdefiniowanie promieniowania optycznego. Klasyfikacja detektorów promieniowania optycznego. Omówienie oddziaływania promieniowania optycznego z materią. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne. Zdefiniowanie głównych parametrów detektorów.

3. Termopary. Bolometry. Detektory piroelektryczne. / 2.

Omówienie budowy, zasady działania i parametrów poszczególnych detektorów termicznych. Rodzaje materiałów stosowanych do budowy termopar. Przykładowe konstrukcje termopar. Ich charakterystyki widmowe. Bolometry metalowe, półprzewodnikowe i kompozytowe. Układy zasilania bolometrów. Omówienie zjawiska piroelektrycznego. Schemat zastępczy detektora piroelektrycznego z wtórnikiem źródłowym. Rola soczewki Fresnela. Układy przetwarzania sygnału do tych detektorów. Matryce mikrobolometryczne i matryce detektorów piroelektrycznych.

4. Fotorezystory. Fotodiody p-n. / 2.

Idea fotoprzewodnictwa. Budowa fotorezystora i sposób jego zasilania. Wyjaśnienie zjawiska wzmocnienia fotoprzewodnictwa. Omówienie fotorezystorów X i , fotorezystorów z AlGaN, fotorezystorów CdS, PbS, PbSe, CdHgTe. Dobór optymalnego punktu pracy fotorezystora. Model pasmowy fotodiody. Charakterystyka I-V. Schemat zastępczy fotodiody. Materiały stosowane do produkcji fotodiod. Układy pracy fotodiody z przedwzmacniaczem sygnału.

5. Fotodiody p-i-n. Fotodiody lawinowe. / 2.

Model pasmowy fotodiody p-i-n. Rozkład koncentracji wzbudzonych nośników. Rozkład pola elektrycznego. Konfiguracje fotodiod pin. Schemat zastępczy fotodiody pin. Czynniki mające wpływ na szybkość odpowiedzi. Charakterystyki I-V wraz z prostymi obciążenia. Szumy fotodiod. Schemat fotodiody lawinowej. Idea powielania lawinowego. Dobór optymalnego punktu pracy fotodiody lawinowej. Analiza stosunku sygnału do szumu. Fotoodbiorniki hybrydowe. Moduły APD.

6. Matryce CCD i CMOS. / 2.

Budowa i idea pracy przyrządu CCD. Rola soczewek, filtrów, kondensatora MOS, rejestrów szeregowych i równoległych w przyrządzie CCD. Rodzaje matryc CCD. Układy sterowania dwu-, trój-, i czterofazowe. Przykładowe architektury przyrządów CCD. Formaty matryc CCD. Zastosowania

Architektura matrycy CMOS. Piksele aktywne i pasywne. Układy odczytu stosowane w matrycach CMOS. Przykładowe architektury przyrządów CMOS. Parametry matryc CCD i CMOS. Zastosowania.

7. Czujniki pojemnościowe. / 2.

Rodzaje czujników pojemnościowych (czujniki o zmiennej odległości między elektrodami, czujniki o zmiennej powierzchni czynnej elektrod, czujniki o zmiennej przenikalności elektrycznej względnej). Omówienie zasady działania poszczególnych rodzajów czujników i przykłady zastosowań. Metoda różnicowa pomiaru pojemności. Pojemnościowe czujniki ciśnienia, przyśpieszenia, wilgotności względnej. Układy przetwarzania sygnału do czujników pojemnościowych. Zastosowania.

8. Czujniki indukcyjne. / 2.

Omówienie schematu blokowego czujnika indukcyjnego. Idea pracy. Rodzaje czujników indukcyjnych. Zdefiniowanie głównych parametrów tych czujników. Czujniki dławikowe o zmiennej szczelinie powietrznej. Czujniki solenoidalne o zmiennym położeniu rdzenia magnetycznego. Czujniki reluktancyjne. Przykłady zastosowań czujników indukcyjnych. Ich zalety i wady.

9. Czujniki ultradźwiękowe. / 2.

Fale ultradźwiękowe. Idea pracy czujników ultradźwiękowych. Budowa czujnika ultradźwiękowego wraz z układem przetwarzania sygnału. Rodzaje przetworników ultradźwiękowych. Idea pomiaru odległości z zastosowaniem czujnika ultradźwiękowego. Przykłady zastosowań czujników ultradźwiękowych (w motoryzacji, w przemyśle, w medycynie).

10. Czujniki piezoelektryczne. /1.

Idea zjawiska piezoelektrycznego. Przykładowe materiały piezoelektryczne. Układy przetwarzania sygnału do czujników piezoelektrycznych. Piezoelektryczne czujniki ciśnienia. Piezoelektryczne czujniki przyśpieszenia. Piezoelektryczne czujniki drgań. Piezoelektryczne czujniki prędkości kątowej. Zalety i ograniczenia czujników piezoelektrycznych.

11. Czujniki potencjometryczne i tensometry. /1.

Zasada pracy czujników potencjometrycznych. Przykładowe zastosowania czujników potencjometrycznych. Zasada działania tensometru oporowego. Główne parametry tensometrów. Tensometry wężykowe, kratowe, foliowe, kombinowane. Układy zasilania tensometrów. Tensometryczne czujniki siły, ciśnienia i momentu obrotowego. Przykłady zastosowanie.

12. Czujniki Halla. / 2.

Idea zjawiska Halla. Materiały półprzewodnikowe stosowane na hallotrony. Główne parametry hallotronów. Czujniki Halla lite, naparowane i z warstwą grafenu. Charakterystyki czujników Halla. Liniowe czujniki Halla. Czujniki Halla jako przełączniki. Czujniki Halla blokujące, jednobiegunowe i dwubiegunowe. Typowe zastosowania czujników Halla.

13. Czujniki termistorowe. / 1.

Zasada działania czujników termistorowych. Termistory o ujemnym i dodatnim współczynniku temperaturowym. Termistory o skokowej zmianie rezystancji. Podstawowe parametry termistorów. Układy elektroniczne współpracujące z termistorami. Zastosowania czujników termistorowych.

14. Czujniki radarowe i lidarowe. / 2.

Budowa i zasada działania radaru. Radary aktywne i pasywne. Radary impulsowe i cw. Równanie zasięgu radaru. Budowa i zasada działania lidaru. Równanie lidaru. Lidar absorpcji różnicowej. Lidar ramanowski. Lidar fluorescencyjny. Zastosowania radarów i ladarów.

15. Pirometry. /1.

Podstawy fizyczne działania pirometrów. Budowa pirometru. Układy optyczne stosowane w pirometrach. Detektory stosowane w pirometrach. Główne parametry pirometrów. Pirometry radiacyjne, monochromatyczne i dwubarwne. Przykłady zastosowań.

16. Noktowizja i termowizja./ 2.

Budowa i zasada działania noktowizorów. Noktowizory z przetwornikami 1,2,3 i 4 generacji. Zasada pracy płytki mikrokanalikowej. Parametry i zastosowania noktowizorów. Podstawy teoretyczne termowizji. Budowa i zasada działania pasywnych kamer termowizyjnych. Kamery krótko- i długofalowe. Parametry kamer termowizyjnych. Termografia aktywna. Zastosowania.

17. Zastosowanie sensorów optoelektronicznych w ochronie środowiska, bezpieczeństwie państwa i medycynie. / 2.

Zastosowanie sensorów CEAS w ochronie środowiska. Idea metody CEAS. Budowa czujnika. Pomiar stężenia ditlenku azotu. Wykrywanie śladowych ilości par materiałów wybuchowych czujnikami CEAS. Układy zatężania i termicznej dekompozycji. Optoelektroniczne sensory markerów chorobowych w wydychanym powietrzu.

podstawowa:

 Godlewski J. Generacja i detekcja promieniowania optycznego. PWN. 1997.

 Bielecki Z., Rogalski A.. Detekcja sygnałów optycznych. WNT. 2002.

 Rogalski A. Bielecki Z. Detekcja sygnałów optycznych. PWN. 2020.

 Gajek A. Juda Z. Czujniki. WKŁ. 2008.

 Praca zbiorowa pod red. J. Piotrowskiego. Czujniki i metody pomiarowe wybranych wielkości fizycznych i składu chemicznego. WNT 2012.

uzupełniająca:

 Webster J.G. ed. The measurement, instrumentation, and sensors. Handbook. CRC Press, Springer, IEEE Press. 2000.

 Wilson J.S. ed. Sensor technology handbook. Elsevier, Newnes 2005.

 Both K., Hill S.. Optoelektronika. WKiŁ. 2001.

 Madura H. i inni. Pomiary termowizyjne w praktyce, Pomiary Automatyka. Kontrola, 2004.

W1 / Ma podstawową wiedzę obejmującą sensory w zakresie monitorowania zagrożeń bezpieczeństwa / K_W12

W2 / Ma szczegółową wiedzę dotyczącą zasady pracy, budowy i parametrów detektorów promieniowania optycznego oraz detektorów wielkości nieelektrycznych związaną z technicznymi systemami zabezpieczeń / K_W17

U1 / Potrafi zastosować poznane sensory do wykrywania źródeł zagrożeń / K_U09

U2 / Potrafi zastosować poznane sensory do wykrywania promieniowania E-M, temperatury, ciśnienia, wielkości mechanicznych itp. / K_U09

Przedmiot zaliczany jest na podstawie: egzaminu

Ćwiczenia zaliczane są na podstawie: zaliczenia z oceną

Ćwiczenia laboratoryjne zaliczane są na podstawie: zaliczenia z oceną

Egzamin z przedmiotu jest prowadzony w formie pisemnego testu;

Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń i ćwiczeń laboratoryjnych.

efekty W1, W2, sprawdzane są na ćwiczeniach laboratoryjnych i podczas egzaminu;

efekty U1, U2 sprawdzane są podczas ćwiczeń i ćwiczeń laboratoryjnych;

Ocenę bardzo dobrą otrzymuje słuchacz, który osiągnął wyniki testu sprawdzającego na poziomie 91-100% .

Ocenę dobrą plus otrzymuje słuchacz, który osiągnął wyniki testu sprawdzającego na poziomie 81-90%.

Ocenę dobrą otrzymuje słuchacz, który osiągnął wyniki testu sprawdzającego na poziomie 71-80%.

Ocenę dostateczną plus otrzymuje słuchacz, który osiągnął wyniki testu sprawdzającego na poziomie 61-70%.

Ocenę dostateczną otrzymuje słuchacz, który osiągnął wyniki testu sprawdzającego na poziomie 51-60%.

Ocenę niedostateczną otrzymuje słuchacz, który osiągnął wyniki testu sprawdzającego na poziomie 50%.

Brak